СОПЛОВОЙ БЛОК РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F02K1/52 

Изобретение относится к области ракетостроения и предназначено для повышения среднего по траектории удельного импульса двигателя.

Известен сопловой блок ракетного двигателя, состоящий из двух круглых сопл Лаваля, расположенных в один ряд и снабженных общим плоским насадком, каждая тяговая стенка которого является продолжением контуров сверхзвуковых частей круглых сопл, две боковые стенки насадка расположены перпендикулярно к тяговым стенкам насадка ["Эффективность применения ДУ на трехкомпонентном топливе для транспортных космических аппаратов класса Земля-Орбита"], журнал "Астронавтика и ракетодинамика", N 47, 1987 г.

По мере подъема на высоту одно из сопл (один двигатель) отключают и тем самым изменяют (увеличивают) геометрическую степень расширения соплового блока в целом, что способствует повышению удельного импульса двигательной установки по траектории полета летательного аппарата.

Однако описанная выше конструкция соплового блока обладает рядом недостатков:
1. Двигательная установка имеет низкий средний по траектории полета удельный импульс из-за того, что один из двигателей используется лишь на части активного участка полета.

2. При отключении одного из двигателей изменяется вектор тяги двигательной установки в целом, а также возникают потери тяги из-за образования застойных зон в сопловом блоке.

Целью настоящего изобретения является повышение среднего по траектории удельного импульса двигательной установки летательного аппарата.

Цель достигается тем, что в сопловом блоке ракетного двигателя, состоящем из двух или нескольких круглых сопл Лаваля, расположенных в один ряд и снабженных общим плоским насадком, каждая тяговая стенка которого является продолжением контуров сверхзвуковых частей круглых сопл, две боковые стенки насадка расположены перпендикулярно к тяговым стенкам насадка, тяговые стенки насадка соединены с боковыми его стенками с помощью шарниров с возможностью их поворота и фиксации относительно боковых стенок насадка, причем шарниры расположены на расстоянии 0-0.5 L от выходного сечения насадка, где L - длина насадка. Выходные сечения сверхзвуковых сопл Лаваля могут быть выполнены в виде четырехугольника.

За счет разворота тяговых стенок насадка появляется возможность регулирования высотности соплового блока, благодаря чему снижаются потери тяги при работе соплового блока на режимах перерасширения.

Использование указанной совокупности отличительных признаков, приводящих к повышению среднего по траектории удельного импульса двигательной установки, в других технических решениях не известно и изобретение отвечает критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображено продольное сечение соплового блока.

На фиг.2 приведен график зависимости прироста тяги от режима работы соплового блока.

Сопловой блок ракетного двигателя содержит несколько одинаковых круглых сопл Лаваля 1, расположенных в один ряд и снабженных общим плоским насадком 2. Каждая тяговая стенка 3 насадка является продолжением контуров сверхзвуковых частей круглых сопл Лаваля и установлена с возможностью поворота и фиксации на шарнире 4, расположенном на расстоянии 0-0.5 L от среза круглых сопл. Место расположения шарниров может находиться в любом месте на участке от максимальной длины тяговой стенки насадка до ее середины в зависимости от назначения летательного аппарата. Если шарнир будет располагаться на расстоянии меньшем половины длины тяговой стенки, эффективный зазор для создания эжекции атмосферного воздуха будет недостаточным и снижение потерь тяги соплового блока при его работе на режимах перерасширения будет незначительным. Выходные сечения (фиг. 1a) сверхзвуковых сопл Лаваля могут быть выполнены в виде четырехугольника.

Все круглые сопла камер сгорания имеют одинаковые критические и выходные сечения и рассчитаны на давление на срезе Pa = 0.05 - 0.1 МПа. Круглые сопла вместе с насадком образуют высотный сопловой блок с давлением на срезе Pa = 0.01 - 0.005 МПа.

Сплошной линией на фиг.1 показано положение соплового блока с тяговыми стенками насадка на начальном участке полета летательного аппарата и их положение на верхнем участке полета, когда тяговые стенки находятся в закрытом состоянии.

Сопловой блок работает следующим образом. На старте и первых километрах участка траектории полета летательного аппарата, тяговые стенки насадка разведены в разные стороны. В этом случае система скачков уплотнения газового потока находится на срезе круглых сопл, препятствуя перерасширению газа в сопле и тяговые стенки насадка отключаются, то есть участок сопла за скачком не создает тяги. Таким образом, сопловой блок в плотных слоях атмосферы работает на расчетном режиме. По мере подъема летательного аппарата на высоту давление окружающей среды, как известно, снижается и давление истекающей струи газа на срезах круглых сопл (в зазоре, образованном между срезами круглых сопл и тяговой стенкой насадка при его развороте) становится больше атмосферного, в результате чего возникают потери тяги из-за недорасширения газа в сопле. В этот момент щели закрывают путем сведения тяговых стенок к срезам круглых сопл. При закрытии тяговых стенок насадка (фиг. 1, поз. 2) сопловой блок становится высотным и он вновь работает близко к расчетному режиму, так как система скачков уплотнения со срезов круглых сопл переходит к выходному сечению насадка. В случае выполнения выходных сечений круглых сопл в виде четырехугольника, снижаются потери тяги, возникшие из-за образования застойных зон в месте стыковки круглых сопл к плоским тяговым стенкам насадка.

Таким образом, сопловой блок двигательной установки на всех участках траектории полета летательного аппарата работает близко к расчетному режиму и, следовательно, снижаются потери тяги из-за перерасширения газа на его стенке.

На фиг.2 представлен график зависимости прироста тяги соплового блока с плоским насадком от режима его работы. По оси ординат отложен прирост тяги соплового блока, отнесенный к тяге идеально регулируемого круглого сопла, а по оси абсцисс отношение давлений окружающей среды и истекающей струи газа. Из графика видно, что при использовании предлагаемого соплового блока двигателя обеспечивается прирост тяги в широком диапазоне изменения высоты полета летательного аппарата.

Предлагаемое изобретение обеспечивает удобство компоновки двигательной установки на летательном аппарате, повышение среднего по траектории удельного ее импульса, возможность увеличения полезного груза или дальности полета летательного аппарата за счет прироста тяги двигательной установки, все это несомненно дает экономический эффект.

Изобретение может найти применение в ракетной технике.

Сопловой блок предназначен для использования в области ракетостроения. Сопловой блок содержит несколько круглых сопл Лаваля, снабженных общим плоским насадком, каждая тяговая стенка которого является продолжением контуров сверхзвуковых их частей. Две боковые стенки насадка расположены перпендикулярно к тяговым стенкам насадка. Тяговые стенки насадка соединены с боковыми его стенками с помощью шарниров с возможностью поворота их и фиксации относительно боковых стенок насадка, причем шарниры расположены на расстоянии 0 - 0,5 L от выходного сечения насадка, где L - длина насадка. Возможность разворота тяговых стенок насадка позволяет регулировать высотность соплового блока, благодаря чему снижаются потери тяги при работе соплового блока на режимах перерасширения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Сопловой блок ракетного двигателя, состоящий из двух или несколько круглых сопл Лаваля, расположенных в один ряд и дополнительно снабженных общим плоским насадком, каждая тяговая стенка которого является продолжением контуров сверхзвуковых частей круглых сопл, две боковые стенки насадка расположены перпендикулярно к тяговым стенкам насадка, отличающийся тем, что тяговые стенки насадка соединены с боковыми его стенками с помощью шарниров с возможностью их поворота и фиксации относительно боковых стенок насадка, причем шарниры расположены на расстоянии 0 - 0,5L от выходного сечения насадка, где L - длина насадка. 2. Сопловой блок ракетного двигателя по п.1, отличающийся тем, что выходные сечения сверхзвуковых сопл Лаваля выполнены в виде четырехугольника.